We introduce a data-driven fractional modeling framework aimed at complex materials, and particularly bio-tissues. From multi-step relaxation experiments of distinct anatomical locations of porcine urinary bladder, we identify an anomalous relaxation character, with two power-law-like behaviors for short/long long times, and nonlinearity for strains greater than 25%. The first component of our framework is an existence study, to determine admissible fractional viscoelastic models that qualitatively describe the linear relaxation behavior. After the linear viscoelastic model is selected, the second stage adds large-strain effects to the framework through a fractional quasi-linear viscoelastic approach, given by a multiplicative kernel decomposition of the selected relaxation function and a nonlinear elastic response for the bio-tissue of interest. From single-relaxation data of the urinary bladder, a fractional Maxwell model captures both short/long-term behaviors with two fractional orders, being the most suitable model for small strains at the first stage. For the second stage, multi-step relaxation data under large strains were employed to calibrate a four-parameter fractional quasi-linear viscoelastic model, that combines a Scott-Blair relaxation function and an exponential instantaneous stress response, to describe the elastin/collagen phases of bladder rheology. Our obtained results demonstrate that the employed fractional quasi-linear model, with a single fractional order in the range $\alpha = 0.25 - 0.30$, is suitable for the porcine urinary bladder, producing errors below 2% without need for recalibration over subsequent applied strains. We conclude that fractional models are attractive tools to capture the bladder tissue behavior under small-to-large strains and multiple time scales, therefore being potential alternatives to describe multiple stages of bladder functionality.


翻译:我们引入了一个数据驱动的分数建模框架, 目标是针对复杂的材料, 特别是生物组织。 通过多步放松实验, 以不同的离子解剖点为主的孔径尿囊囊囊囊囊囊囊囊囊囊囊囊囊囊囊囊囊囊囊囊囊囊骨部, 我们发现一个异常放松性, 短/ 长时间两种类似电动法的行为, 以及超过25%的菌株的非线性反应。 我们框架的第一个组成部分是一个存在研究, 以确定可以接受的分数粘结模型, 以定性的方式描述线性放松行为。 在选择线性粘结螺旋模型后, 第二阶段通过分数准线型螺旋腹腹腹缩缩腹骨囊膀囊囊囊囊囊囊囊囊囊囊囊囊囊, 通过多步式骨骼内分队骨骼的分母体松动功能, 而在第二个阶段, 多步式螺旋形的直径直径直座螺旋腹骨骼组织会分母体直座的直立度, 开始开始 。

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